114 年 國立中山大學資訊工程學系資訊安全碩士班《作業系統》

第 1 題詳解

整題核心觀念與解題方法

**核心觀念：**本題綜合考查儲存系統可靠性、程式安全、虛擬化、分散式運算，以及多執行緒管理。各小題均應採用「定義 → 架構圖 → 工作機制 → 優缺點與比較」的方式作答。

**選項分析：**本題為申論題，沒有選項；評分重點在於概念完整、圖示正確，以及能說明各技術的差異與限制。

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（1）RAID 與 RAID 0 至 RAID 6

核心觀念

RAID（Redundant Array of Independent Disks，獨立磁碟冗餘陣列）是將多顆實體磁碟組合成一個邏輯儲存單元，利用下列機制提升效能或可靠性：

• 條帶化（striping）：把連續資料分散到多顆磁碟，提升平行讀寫效能。
• 鏡像（mirroring）：將相同資料複製到不同磁碟。
• 同位元檢查碼（parity）：利用冗餘資訊，在磁碟故障時重建遺失資料。
• 錯誤更正碼（ECC）：使用如 Hamming code 的編碼，偵測與修正錯誤。

以下假設每顆磁碟容量皆為 $C$，共有 $N$ 顆磁碟。RAID 是提升可用性與故障容忍度的技術，不是備份；誤刪、勒索軟體與整個陣列損毀仍需依靠獨立備份處理。

解題方法

辨認 RAID 等級時，依序觀察三件事：

1. 條帶化的粒度是位元、位元組，還是區塊。
2. 是否有鏡像、ECC 或 parity。
3. parity 是集中在一顆磁碟，還是分散在多顆磁碟。

圖示中：

• $D$：資料區塊
• $P$：以 XOR 計算的 parity
• $Q$：RAID 6 使用的第二組 parity

RAID 0：條帶化，無冗餘

                 磁碟 0   磁碟 1   磁碟 2   磁碟 3
條帶 0             A0       A1       A2       A3
條帶 1             B0       B1       B2       B3

資料依序切成多個區塊，分散寫入不同磁碟。讀取或寫入同一條帶時，多顆磁碟可以平行工作。

• 可用容量：$NC$
• 優點：讀寫效能高、容量利用率百分之百。
• 缺點：完全沒有冗餘。
• 故障容忍：任一顆磁碟故障，都會使部分資料遺失，整個檔案通常無法使用。

RAID 0 的重點是「效能」，其中的 0 也可理解為零冗餘。

RAID 1：鏡像（Mirroring）

                 磁碟 0   磁碟 1
條帶 0             A0       A0
條帶 1             B0       B0
條帶 2             C0       C0

每一份資料都同時寫入兩顆磁碟。讀取時可從任一份副本取得資料，也可分散讀取工作。

• 兩顆磁碟鏡像時，可用容量為 $C$。
• 成對鏡像時，可用容量為 $\lfloor N/2 \rfloor C$。
• 優點：設計簡單、讀取可靠、重建容易。
• 缺點：容量利用率約為百分之五十，寫入必須更新所有副本。
• 故障容忍：每一個鏡像組可容忍一顆磁碟故障；同一鏡像組同時故障兩顆時，該組資料失效。

RAID 2：位元級條帶化與 Hamming ECC

                 資料磁碟                  ECC 磁碟
              D0    D1    D2    D3       E0    E1    E2
資料位元       d0    d1    d2    d3       h0    h1    h2
下一組位元     d4    d5    d6    d7       ...

RAID 2 以位元級方式條帶化，同一資料字的不同位元分散到不同資料磁碟，再使用 Hamming code 產生 ECC 位元，存放在額外磁碟中。

若資料位元數為 $m$，檢查位元數為 $r$，單一錯誤更正所需條件為：

$$2^r \ge m+r+1$$

讀取時，系統利用 syndrome 判斷錯誤位置，進而修正錯誤位元。典型配置可容忍一顆磁碟失效。

• 核心粒度：位元級。
• 冗餘方式：Hamming ECC。
• 優點：錯誤偵測與更正能力強。
• 缺點：需要額外 ECC 磁碟，所有磁碟通常需同步運作，硬體與控制器複雜。
• 實務狀況：現代磁碟本身已具備錯誤更正功能，因此 RAID 2 幾乎不使用。

RAID 3：位元組級條帶化與專用 parity

                 資料磁碟                  parity 磁碟
              D0      D1      D2              P
條帶 0         A0      A1      A2             P0
條帶 1         B0      B1      B2             P1

RAID 3 以位元組級條帶化將資料分散到多顆資料磁碟，並使用一顆專用磁碟儲存 parity。

$$P_0=A_0\oplus A_1\oplus A_2$$

若資料磁碟遺失，例如 $A_1$ 遺失，則可由下式重建：

$$A_1=P_0\oplus A_0\oplus A_2$$

• 可用容量：$(N-1)C$。
• 故障容忍：一顆磁碟故障。
• 優點：適合大型連續資料傳輸，順序讀寫效能佳。
• 缺點：每次存取通常需要所有資料磁碟同步參與，小型獨立 I/O 效率較差；專用 parity 磁碟也會形成瓶頸。

RAID 4：區塊級條帶化與專用 parity

                 磁碟 0   磁碟 1   磁碟 2   parity 磁碟
條帶 0             A0       A1       A2        P0
條帶 1             B0       B1       B2        P1
條帶 2             C0       C1       C2        P2

RAID 4 改採區塊級條帶化，每顆資料磁碟可獨立處理不同區塊；parity 仍集中在一顆專用磁碟。

• 可用容量：$(N-1)C$。
• 故障容忍：一顆磁碟故障。
• 優點：比 RAID 3 更適合獨立區塊存取。
• 缺點：所有寫入都要更新專用 parity 磁碟，形成 parity hot spot，尤其小型隨機寫入會造成瓶頸。

RAID 5：區塊級條帶化與分散 parity

                 磁碟 0   磁碟 1   磁碟 2   磁碟 3
條帶 0             A0       A1       A2       P_A
條帶 1             B0       B1       P_B      B2
條帶 2             C0       P_C      C1       C2
條帶 3             P_D      D0       D1       D2

RAID 5 與 RAID 4 相同地採用區塊級條帶化，但將 parity 分散輪替存放在不同磁碟，避免某一顆 parity 磁碟成為固定瓶頸。

每一條帶的 parity 為：

$$P_i=D_{i,0}\oplus D_{i,1}\oplus \cdots \oplus D_{i,k}$$

小型寫入常使用 read-modify-write：

1. 讀取舊資料。
2. 讀取舊 parity。
3. 計算新 parity。
4. 寫入新資料與新 parity。

新 parity 可利用下式快速更新：

$$P_{\text{new}} = P_{\text{old}} \oplus D_{\text{old}} \oplus D_{\text{new}}$$

• 可用容量：$(N-1)C$。
• 故障容忍：一顆磁碟故障。
• 優點：容量效率與可靠性平衡良好，沒有固定 parity 瓶頸。
• 缺點：小型隨機寫入有 write penalty；重建期間陣列效能下降，若再故障一顆磁碟會造成資料遺失。

RAID 6：雙重分散 parity

                 磁碟 0   磁碟 1   磁碟 2   磁碟 3   磁碟 4
條帶 0             A0       A1       A2       P_A      Q_A
條帶 1             B0       B1       P_B      Q_B      B2
條帶 2             C0       P_C      Q_C      C1       C2
條帶 3             P_D      Q_D      D0       D1       D2

RAID 6 在 RAID 5 的基礎上增加第二組獨立 parity。第一組通常為 XOR：

$$P=D_0\oplus D_1\oplus \cdots \oplus D_k$$

第二組 $Q$ 使用 Reed–Solomon 等有限域編碼：

$$Q=c_0D_0\oplus c_1D_1\oplus \cdots \oplus c_kD_k$$

其中運算在有限域中進行。當兩顆磁碟同時故障時，可以利用 $P$ 與 $Q$ 形成兩組獨立方程式，解出兩個遺失資料區塊。

• 可用容量：$(N-2)C$。
• 故障容忍：任意兩顆磁碟故障。
• 優點：大型磁碟陣列在重建期間仍具較高安全性。
• 缺點：需要兩份 parity，寫入成本、控制器複雜度與重建時間高於 RAID 5。

RAID 等級比較

等級	條帶化粒度	冗餘方式	可用容量	故障容忍
RAID 0	區塊級	無	$NC$	無
RAID 1	通常為區塊級	鏡像	約一半容量	每鏡像組一顆
RAID 2	位元級	Hamming ECC	資料碟容量	一顆磁碟
RAID 3	位元組級	專用 XOR parity	$(N-1)C$	一顆磁碟
RAID 4	區塊級	專用 XOR parity	$(N-1)C$	一顆磁碟
RAID 5	區塊級	分散 XOR parity	$(N-1)C$	一顆磁碟
RAID 6	區塊級	雙重分散 parity	$(N-2)C$	兩顆磁碟

解題技巧

• RAID 0：只有條帶化，沒有保護。
• RAID 1：看到完整副本，就是鏡像。
• RAID 2：位元級條帶化加 Hamming code。
• RAID 3：位元組級條帶化，專用 parity。
• RAID 4：區塊級條帶化，專用 parity。
• RAID 5：區塊級條帶化，parity 分散。
• RAID 6：兩份 parity，可容忍兩顆磁碟故障。
• 「RAID 等級越高越快」是錯誤觀念；RAID 6 的可靠性高於 RAID 5，但寫入負擔也更大。

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（2）程式威脅

核心觀念與解題方法

可依照「惡意程式如何隱藏、何時啟動、如何取得權限、如何破壞記憶體」分類：

• 偽裝成合法程式：Trojan horse。
• 建立隱藏進入路徑：trap door。
• 等待特定條件再發動：logic bomb。
• 利用輸入越界改寫記憶體：stack and buffer overflow。

Trojan Horse：特洛伊木馬

合法外觀的程式
        │ 使用者正常啟動
        ▼
正常功能 ＋ 隱藏惡意功能
              │
       竊取資料、破壞檔案、建立後門

Trojan horse 是偽裝成有用或合法程式的惡意程式。使用者以為它是工具、遊戲、文件檢視器或更新程式，執行後，程式除了提供表面功能，也暗中進行未授權行為。

重要特徵：

• 通常需要使用者主動下載或執行。
• 惡意程式會繼承使用者的權限。
• 不以自我複製為必要條件，因此與病毒、蠕蟲不同。
• 木馬內部可同時包含 logic bomb 或 trap door。

Trap Door：陷門／後門

正常路徑：輸入帳密 → 驗證 → 正常功能

隱藏路徑：特殊輸入 → 略過驗證 → 特權功能

Trap door 是程式中刻意保留的隱藏進入點，使特定輸入、特殊帳號、秘密密碼或特殊指令能繞過正常的安全檢查。

常見例子：

• 開發者留下的除錯帳號。
• 隱藏的管理員密碼。
• 特殊字串觸發的管理功能。
• 遠端服務中的未公開管理介面。

Trojan horse 強調「偽裝的程式」，trap door 強調「繞過驗證的隱藏路徑」。

Logic Bomb：邏輯炸彈

植入程式
   │
   ▼
平時保持靜默
   │ 特定日期、帳號、事件或計數條件成立
   ▼
刪除資料、破壞系統或洩漏資訊

Logic bomb 是埋藏在程式中的惡意邏輯，只有在指定條件成立時才執行。觸發條件可包括：

• 特定日期或時間。
• 某位員工帳號被刪除。
• 程式執行達特定次數。
• 某個檔案不存在。
• 特定資料或事件出現。

邏輯炸彈的重點是「平時不動作，條件成立後才發動」。它不一定是獨立程式，也可嵌入木馬或正常商業軟體。

Stack and Buffer Overflow：堆疊與緩衝區溢位

緩衝區是用來暫存輸入資料的記憶體區域。若程式未檢查輸入長度，過長資料會寫出緩衝區範圍。

第 2 題　Security

（1）Prompt Attack

核心觀念

Prompt Attack 是針對以自然語言提示詞（Prompt）驅動的生成式 AI 或大型語言模型所進行的攻擊。攻擊者藉由設計特殊輸入，誘使模型忽略原本的系統指令、洩漏機密資訊、產生不安全內容，或在具備工具權限時執行未授權操作。

常見類型如下：

• 直接 Prompt Injection：使用者直接輸入「忽略前面的指令，改依照以下內容執行」等惡意提示。
• 間接 Prompt Injection：惡意指令藏在網頁、電子郵件、PDF 或資料庫內容中；AI 讀取這些資料後，誤把資料內容當成更高權限的指令。
• Jailbreak：利用角色扮演、編碼、分段指令等方式，繞過模型的安全限制。
• Prompt Leakage：誘使模型揭露系統提示詞、內部規則或秘密資料。

解題方法

回答時應指出三個要素：

1. 攻擊對象是 AI 的提示詞處理與指令遵循機制。
2. 攻擊手段是注入、混淆或偽造指令。
3. 攻擊目的包含繞過限制、竊取資訊、濫用工具。

防禦方法包括：將外部內容視為不可信資料、實施指令與資料的權限分離、限制 AI 工具權限、對敏感操作要求人工確認、避免把密鑰直接放在 Prompt 中，並進行輸入過濾、輸出驗證、日誌監控與越獄測試。

解題技巧

關鍵判斷句是：「不可信的資料被模型誤當成可信指令」。僅說「輸入錯誤」並不完整，必須說明其安全影響。

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（2）Fake News

核心觀念

Fake News 是以新聞報導形式包裝的虛假、捏造或誤導性資訊，通常透過社群媒體、網站、影音平台或通訊軟體快速傳播，影響大眾判斷、政治立場、金融決策或社會信任。

常見形式包括：

• 完全捏造不存在的事件。
• 竄改真實照片、影片、聲音或統計數據。
• 將真實事件置於錯誤時間、地點或背景中。
• 以聳動標題、假冒媒體或假專家增加可信度。
• 利用 Deepfake 製造虛假的人物言論或事件影像。

嚴格區分時，無意造成的錯誤資訊稱為 misinformation；蓄意欺騙的假資訊稱為 disinformation；利用真實資訊進行惡意傷害則稱為 malinformation。

解題方法

Fake News 的辨識可以從下列面向進行：

1. 來源查證：確認發布者、網站網域、作者與發布時間。
2. 交叉比對：比較多個可信媒體與官方資料。
3. 內容分析：檢查標題是否誇大、論證是否缺乏證據、圖片是否斷章取義。
4. 媒體鑑識：使用反向圖片搜尋、影片影格分析、音訊與影像竄改偵測。
5. AI 輔助分析：利用自然語言處理、來源可信度評分與多模態模型進行分類。

數位簽章、內容來源標記與平台警示可以降低散播風險，但不能單獨證明內容一定真實，仍須配合人工查證。

解題技巧

不要只把 Fake News 定義成「錯誤新聞」。完整答案應包含「新聞形式包裝」、「虛假或誤導內容」及「造成大眾誤判或操控」三個重點。

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（3）Secure Computation

核心觀念

Secure Computation 是在不公開參與者原始資料的情況下，仍能正確計算共同函數的方法。若兩方分別擁有資料 $x$ 與 $y$，希望計算函數 $f(x,y)$，理想結果是參與者只得知被授權的輸出，而不能取得對方的原始輸入。

$$\text{輸入： }x,y \qquad \text{輸出： }f(x,y)$$

安全性通常包含：

• 機密性：不洩漏原始輸入。
• 正確性：惡意參與者不能任意竄改計算結果。
• 輸出控制：只公開必要結果，避免由輸出反推出敏感資料。
• 抗串通性：在指定的參與者串通假設下仍維持安全。

解題方法

主要技術包括：

1. 安全多方計算（MPC）
   將資料切成多份秘密分享，例如在模數 $p$ 下將 $x$ 表示為：

   $x=x_1+x_2 \pmod p$

   不同參與者各自持有一份分享，直接在分享值上完成運算，最後只重組必要結果。

2. 同態加密（Homomorphic Encryption）
   允許在密文上計算：

   $\operatorname{Dec}\bigl(\operatorname{Eval}(f,\operatorname{Enc}(x))\bigr)=f(x)$

   因此資料提供者不必先公開明文。

3. 可信執行環境（TEE）
   在硬體保護的安全區域中執行程式與資料，並透過遠端證明確認執行的程式未被竄改。

典型應用包括跨醫院統計、銀行聯合詐欺偵測、隱私保護的機器學習與跨企業資料分析。

解題技巧

Secure Computation 不等於單純的資料傳輸加密。傳輸加密只保護傳輸過程；Secure Computation 的重點是「資料不解密公開，也能完成運算」。此外，計算結果本身仍可能洩漏資訊，因此必須搭配存取控制、差分隱私與輸出限制。

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（4）Personal Identifiable Information（PII）

核心觀念

PII 是能夠直接或間接識別特定自然人的資訊。直接識別資料可以單獨辨識個人；間接識別資料則須與其他資料結合後才能辨識個人。

常見 PII 包括：

• 姓名、身分證號、護照號碼。
• 電話、電子郵件、住址。
• 帳號、IP 位址、Cookie、裝置識別碼。
• GPS 位置、工作紀錄、瀏覽紀錄。
• 臉部影像、指紋、虹膜、聲紋等生物特徵。
• 醫療、財務、教育與犯罪紀錄。

例如，單獨的出生年份未必能識別某人；但若與郵遞區號、職業及性別結合，便可能鎖定特定個人。

解題方法

保護 PII 的基本流程是：

1. 盤點資料來源、收集目的與使用範圍。
2. 遵守資料最小化與目的限制，只收集必要欄位。
3. 以權限控管、加密、遮罩與 Tokenization 限制存取。
4. 設定保存期限，資料不再需要時安全刪除。
5. 對外分享前進行去識別化，並防止重新識別。
6. 建立存取紀錄、異常偵測與個資外洩通報流程。

解題技巧

必須區分：

• 假名化（Pseudonymization）：以代碼取代姓名，但仍保留對照表，因此通常仍屬 PII。
• 匿名化（Anonymization）：在合理手段下無法重新識別個人，才可視為真正匿名。

將電子郵件雜湊後不代表一定不再是 PII；若資料仍可被比對、連結或反查，仍可能具有識別性。

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（5）Post-Quantum Cryptography（PQC）

核心觀念